CN213043048U - 基于复杂匹配网络的宽带全向天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线，包括辐射贴片单元、介质板、共面波导、馈线及匹配网络，其中所述辐射贴片单元位于介质板的正面，所述共面波导位于介质板的正面辐射贴片单元的下方，所述馈线位于共面波导宽边中垂线上连接到辐射贴片单元，所述匹配网络从共面波导连接到辐射贴片单元上，通过倒角和开槽，可以改变微带天线电流的流向，同时增加多个谐振频点，实现微带天线的宽带化；其次由于共面波导传输线辐射损失相对其他方式的辐射损失相比较少，所以可以提升天线的工作效率。

Description

基于复杂匹配网络的宽带全向天线

【技术领域】

本实用新型属于电子技术领域，特别是指一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线。

【背景技术】

随着无线电技术的发展，天线作为射频系统的前端，宽带工作和传输功率的最大化是其发展的方向。在外界环境影响的条件下，天线阻抗可能发生变化，导致天线与射频前端之间的阻抗失配。当天线在不同频段通信时，天线阻抗也会发生变化。阻抗失配降低了射频前端和天线之间的射频传输功率，需增加传输功率来补偿损耗，因此会影响系统的整体射频性能并缩短电源使用寿命。如果匹配网络仅由固定电感和固定电容组成，则网络的匹配能力仅限于固定阻抗。由于天线阻抗随频率和使用条件而变化，因此固定阻抗覆盖范围有限，仅几个频段或只有一个使用条件能够获得最佳匹配。通过阻抗匹配网络在不同使用条件下和广泛频率范围内的应用，能最大限度地增加射频前端和天线之间传输的射频功率，满足天线的宽带工作和最大化天线的传输功率。目前的宽带天线的实现方式主要有频率无关天线(螺旋天线，对数周期天线)、双锥天线、TEM喇叭天线、波纹喇叭天线、加载天线及其多种变形天线等，虽然这些天线在实际工程中广泛使用，由于他们自身结构的限制，通常存在阻抗失配、结构复杂、效率低下等问题。平面单极子天线具有体积小和稳定的全向辐射特性，利用微带天线的形式可以比较容易的实现结构小型化，宽带工作一般需要附加相应的措施才能实现，但是这些天线结构带宽展宽有限，使其在实际应用中受到了一定的限制。通过在辐射贴片上开缝可引起贴片表面电流的变化，等效为引入阻抗匹配元件，从而改变辐射贴片的谐振特性，可达到展宽频带的目的。通过谐振电路之间的耦合作用进而实现宽带化可以对天线进行加载，通过在天线的适当位置插入无源阻抗元件或有源网络来减弱沿线电流的驻波分布，扩展天线的阻抗带宽。或使用宽频带匹配网络，当天线的尺寸和结构确定后，通过在天线的馈电端口和馈源之间插入宽频带匹配网络来展宽天线的工作频带。剑桥大学电磁辐射实验室的Edward E.Altshuler教授首先对天线进行加载的方法开展了研究；美国学者Herbert J.Carlin设计了宽频带匹配网络的常用方法——实频法或简易实频法，推进了对高效率、宽频带和小型化天线的研究。因此，提供一种新型的损耗更小、带宽更宽、加工和安装更方便的基于复杂匹配网络的宽带微带全向天线是十分必要的。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线，用以解决现有天线存在的阻抗失配、结构复杂、效率低下等问题。

为实现上述目的，实施本实用新型的基于复杂匹配网络的宽带全向天线，包括辐射贴片单元、介质板、共面波导、馈线及匹配网络，其中所述辐射贴片单元位于介质板的正面，所述共面波导位于介质板的正面辐射贴片单元的下方，所述馈线位于共面波导宽边中垂线上连接到辐射贴片单元，所述匹配网络从共面波导连接到辐射贴片单元上。

依据上述主要特征，所述辐射贴片单元在矩形贴片基础上沿馈线中线轴对称设有左下角和右下角倒直角及左上角和右上角倒圆角。

依据上述主要特征，所述辐射贴片单元在对称倒角贴片的基础上沿窄边方向轴对称开椭圆槽。

依据上述主要特征，所述共面波导在其左上侧与右上侧分别设有左上侧开切角与右上侧开切角。

依据上述主要特征，所述馈线位于共面波导宽边中垂线上并连接到辐射贴片单元。

依据上述主要特征，所述匹配网络从共面波导连接到辐射贴片单元上。

依据上述主要特征，所述介质板为稳定的环氧微波板。

与现有技术相比较，所述基于复杂匹配网络的宽带全向天线采用矩形切角结构和共面波导馈电结构，改变微带天线电流的流向，同时增加多个谐振频点，实现微带天线的宽带化；其次由于共面波导传输线辐射损失相对其他方式的辐射损失相比较少，所以可以提升天线的工作效率。

【附图说明】

图1为本实用新型提供的一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线的三维结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线辐射贴片单元示意图；

图3为本实用新型提供的一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线可调谐电容和电感的史密斯圆图阻抗覆盖范围示意图；

图4为本实用新型提供的一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线同一可调谐电容在三种类型的匹配网络中的使用情况示意图；

图5为本实用新型提供的一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线的回波损耗曲线图。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，为实施本实用新型的基于复杂匹配网络的宽带全向天线的三维结构示意图。所述基于复杂匹配网络的宽带全向天线包括辐射贴片单元1、介质板2、共面波导3、馈线4及匹配网络5，其中所述辐射贴片单元1位于介质板2的正面，所述共面波导3位于介质板2的正面下方，所述馈线4位于共面波导3宽边中垂线上并连接到辐射贴片单元1，所述匹配网络5从共面波导3连接到辐射贴片单元1上。

如图2所示，所述辐射贴片单元1在窄边方向轴对称开椭圆槽15，通过设置对称椭圆槽15用以引起电流绕流的缝隙耦合，在天线边缘部分产生一个低于原矩形贴片天线的谐振频率，可能通过设计优化椭圆槽15的尺寸和相对距离令两个谐振频率靠近，从而展宽带宽。同时，在设置对称椭圆槽15的基础上，所述辐射贴片单元1还对称设有4个对称倒角结构，包括左上倒圆角11、右上倒圆角12、左下倒直角13和右下倒直角14，此四个倒角结构破坏了矩形贴片的单谐振特性，增加了高于原矩形贴片天线的谐振频率，通过合理设计倒角结构的尺寸，可实现天线宽频带特性，此外，倒角结构改变了宽带电流的流向，进一步展宽带宽。

在本实施例中，所述辐射贴片单元1的尺寸为25cm×32cm，椭圆槽15的尺寸为22.4cm×16cm，左上倒圆角11的半径为4cm，右上倒圆角12的半径为4cm，左下倒直角13的面积为4cm×4cm，右下倒直角14的面积为4cm×4cm。

馈电结构是微带天线的重要组成部分，一个选择恰当的馈电对压缩天线的整体尺寸、提高辐射性能和工作带宽及日后扩展成阵列具有重要影响。共面波导是首先由C.P.Wen提出来的一种集成传输线，利用准TEM的近似办法探究到的一种对称模式，与传统微带线相比有着诸多的优势，共面波导的地与信号线位于同一层，容易实现与其他器件的串联或者并联连接，而不必在基片上打孔，进而可以实现电路的小型化和信号的完整性；同时，寄生参量小，很容易提供集成电路密度，其次，由于共面波导传输线辐射损失与其他产品的辐射损失相对来说比较少，所以通过它可以提升天线的工作效率。在本实施例中，采用共面波导馈电，在共面波导3的左上方设有左上倒直角31，右上方设有右上倒直角32，并且馈线与辐射贴片单元1连接。在本实施例中，共面波导3的两侧面积均为19.5cm×5cm，馈线的宽度为8mm，长度为60mm，馈线与接地板之间的间隙宽度为1mm，左上倒直角31的面积为2cm×2cm，右上倒直角32的面积为2cm×2cm。

请参阅图3所示，为本实用新型复杂匹配网络中可调谐电容和电感的史密斯圆图阻抗覆盖范围。创建由可调谐电容和电感搭配的宽阻抗覆盖范围的复杂匹配网络是增加带宽的最佳方式，能够同时调谐电容和电感的网络可在多个方向调整阻抗，提高天线效率。并且，增加匹配元件的数量可提供更大的史密斯圆图覆盖范围。

请参阅图4所示，为本实用新型复杂匹配网络中同一可调谐电容在三种类型的匹配网络中的使用情况：第一种为单独使用，第二种为在L型匹配设计中使用一个电感，第三种为在π型匹配设计中使用两个电感。其中简单的串联可调谐电容(Cs)具有有限调谐能力，在电感区域具有最大优势，而在电容区域则有负面影响。如第二种方式，添加一个并联电感(La)可极大地改进电容区域的调谐能力。如第三种方式，在π型匹配网络的输入端再添加一个电感(Ls)，可使调谐器增益在电感和电容区域都保持在一个相对平稳的水平。本实施例中通过应用复杂匹配网络可在不同的条件下，在多个频段之间，最大限度地提高天线射频传输功率。

本实用新型天线的介质板采用FR4板材，介电常数为4.4，介质板厚度为h1，在本实施例中，h1为2mm。

在本实施例中，本实用新型天线的整体尺寸为40mm×40mm×2mm。

请参阅图5所示，为本实用新型一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线的仿真回波损耗曲线图。由图可以看出，回波损耗小于-10dB所覆盖的频率范围为250MHz–381MHz，相对阻抗带宽为42.7％。

与现有技术相比较，所述基于复杂匹配网络的宽带全向天线采用矩形切角结构和共面波导馈电结构，改变微带天线电流的流向，同时增加多个谐振频点，实现微带天线的宽带化；其次由于共面波导传输线辐射损失相对其他方式的辐射损失相比较少，所以可以提升天线的工作效率。再者，复杂匹配网络通过在不同使用条件下和宽频率范围内，将天线的阻抗与射频前端的阻抗相匹配来解决阻抗失配，最大限度地增加天线传输的射频功率，提高天线效率，复杂匹配网络是宽带设计的关键，辐射贴片单元的场沿该边变化时，阻抗也随之而变，其他天线不适用本复杂匹配网络。另外，所述基于复杂匹配网络的宽带全向天线在实现宽频带的同时，也减小了尺寸、结构简单、剖面低，易于加工、安装及集成，有着很好的应用价值。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于复杂匹配网络的宽带全向天线，其特征在于：所述基于复杂匹配网络的宽带全向天线包括辐射贴片单元、介质板、共面波导、馈线及匹配网络，所述辐射贴片单元位于介质板的正面，所述共面波导位于介质板的正面辐射贴片单元的下方，所述馈线位于共面波导宽边中垂线上连接到辐射贴片单元，所述匹配网络从共面波导连接到辐射贴片单元上。

2.根据权利要求1所述的基于复杂匹配网络的宽带全向天线，其特征在于：所述辐射贴片单元在矩形贴片基础上沿馈线中线轴对称设有左下角和右下角倒直角及左上角和右上角倒圆角。

3.根据权利要求2所述的基于复杂匹配网络的宽带全向天线，其特征在于：所述辐射贴片单元在对称倒角贴片的基础上沿窄边方向轴对称开椭圆槽。

4.根据权利要求1所述的基于复杂匹配网络的宽带全向天线，其特征在于：所述共面波导在其左上侧与右上侧分别设有左上侧开切角与右上侧开切角。

5.根据权利要求1所述的基于复杂匹配网络的宽带全向天线，其特征在于：所述馈线位于共面波导宽边中垂线上并连接到辐射贴片单元。

6.根据权利要求1所述的基于复杂匹配网络的宽带全向天线，其特征在于：所述匹配网络从共面波导连接到辐射贴片单元上。

7.根据权利要求1所述的基于复杂匹配网络的宽带全向天线，其特征在于：所述介质板为稳定的环氧微波板。

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